Основы параллельных вычислений. Введение

1. Введение

Интернет Университет
Суперкомпьютерных технологий
Учебный курс
Основы параллельных вычислений
Введение
Гергель В.П., профессор, д.т.н.
Нижегородский университет

2. Содержание

Понятие параллельных вычислений
Необходимость параллельных вычислений
Примеры приложений
Значимость параллельных вычислений
Характеристика необходимых знаний и
умений
Содержание курса
Структура учебного плана
Литература
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
2 из 24

3. Понятие параллельных вычислений…

Под параллельными вычислениями
(parallel or concurrent computations) можно
понимать процессы решения задач, в
которых в один и тот же момент времени
могут выполняться одновременно
несколько вычислительных операций
Параллельные вычисления составляют
основу суперкомпьютерных технологий
и высокопроизводительных расчетов
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
3 из 24

4. Понятие параллельных вычислений

Параллельные вычисления не сводятся к
использованию только многопроцессорных
вычислительных систем (существуют ли
последовательные компьютеры !?)
Одновременные выполняемые операции
должны быть направлены на решение общей
задачи
Параллельные вычисления следует отличать
от многозадачных (многопрограммных)
режимов работы последовательных ЭВМ
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
4 из 24

5. Необходимость параллельных вычислений…

Опережение потребности вычислений быстродействия
существующих компьютерных систем
(ex., Problems of Grand Challenge)
–
–
–
–
–
моделирование климата,
генная инженерия,
проектирование интегральных схем,
анализ загрязнения окружающей среды,
создание лекарственных препаратов и др.
Оценка необходимой производительности –
1012 операций (1 Tflops)
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
5 из 24

6. Необходимость параллельных вычислений

Теоретическая ограниченность роста
производительности последовательных компьютеров
Резкое снижение стоимости многопроцессорных
(параллельных) вычислительных систем
– ПК на базе четырехядерного процессора Intel Core 2 Quad –
20 GFlops ($1500),
– Персональный мини-кластер T-Edge Mini на базе
четырехядерных процессоров Intel Xeon –
240 GFlops ($20000)
Смена парадигмы построения
высокопроизводительных процессоров многоядерность
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
6 из 24

7. Примеры приложений: Науки о Земле

Анализ изменений
климата
Прогнозирование
погоды
Состояние
атмосферы
Суперкомпьютерный центр в Барселоне
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
7 из 24

8. Примеры приложений: Науки о жизни

Новые лекарства и
методы лечения
Геномика
Поиск в базах данных
Национальный Институт Здоровья США
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
8 из 24

9. Примеры приложений: Инженерные расчёты

Виртуальное проектирование
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
Оптимизация
9 из 24

10. Значимость параллельных вычислений…

Принятие обоснованных решений практически в любой
сфере человеческой деятельности с необходимостью
предполагает проведение расширенного математического
моделирования с тщательным исследованием возможных
вариантов деятельности с помощью вычислительных
экспериментов
При этом, появление столь радикально возросших
возможностей суперкомпьютерных технологий позволяет
разрабатывать углубленные математические модели,
максимально точно описывающих объекты реального мира,
и требующие для своего анализа проведения масштабных
вычислений
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
10 из 24

11. Значимость параллельных вычислений…

Области приложений, в которых суперкомпьютерные вычисления
имеют особую значимость:
Невозможность (недопустимость) натурных экспериментов:
изучение процессов при ядерном взрыве или серьезных воздействий на
природу
Изучение влияния экстремальных условий (температур, магнитных
полей, радиации и др.) — старение материалов, безопасность
конструкций, боевое применение
Моделирование наноустройств и наноматериалов
Науки о жизни — изучение генома человека, разработка новых
лекарственных препаратов и т.п.
Науки о Земле — обработка геоинформации: полезные ископаемые;
селевая, сейсмическая и т.п. безопасность, прогнозы погоды, модели
изменения климата...
Моделирование при разработке новых технических устройств —
инженерные расчеты
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
11 из 24

12.

Значимость параллельных вычислений…
Доклад PITAC (The President’s Information Technology Advisory
Committee) Вычислительные науки: обеспечение превосходства
(конкурентоспособности) Америки
«With technology, talent and capital now available globally, the
U.S. is facing unprecedented economic competition from abroad.
Тhe country that wants to out compete must out-compute»
"Страна, которая хочет достичь превосходства в
конкурентной борьбе, должна превосходить
конкурентов в области вычислений"
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
12 из 24

13.

Значимость параллельных вычислений
Конкурентоспособность страны в современных
условиях во многом определяется уровнем развития
суперкомпьютерных вычислительных технологий
Суперкомпьютерные технологии становятся одним
из решающих факторов научно-технического
прогресса и могут служить точно таким стимулом
развития страны, как ранее были авиация, атом,
ракетная техника и космос
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
13 из 24

14. Характеристика необходимых знаний и умений

Архитектура параллельных вычислительных
систем
Модели вычислений и методы анализа
сложности
Параллельные методы вычислений
Параллельное программирование (языки,
среды разработки, библиотеки)
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
14 из 24

15. Содержание курса

Краткий обзор параллельных вычислительных
систем и их классификация
Общая характеристика многопроцессорных
вычислительных систем
Оценка эффективности параллельных вычислений
Анализ сложности вычислений и оценка возможности
распараллеливания
Общая схема разработки параллельных методов
Программная система ПараЛаб для изучения и
исследования методов параллельных вычислений
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
15 из 24

16. Структура учебного плана

Лекционные занятия – 8 часов
Практические занятия – 4 часов
Обучение проводится по одному
занятию в неделю в виде
видеоконференций
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
16 из 24

17. Литература…

Гергель В.П. Теория и практика параллельных
вычислений. - М.: Интернет-Университет, БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2007.
Богачев К.Ю. Основы параллельного программирования.
- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.
Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные
вычисления. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
Немнюгин С., Стесик О. Параллельное
программирование для многопроцессорных
вычислительных систем — СПб.: БХВ-Петербург, 2002.
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
17 из 24

18. Литература…

Учебные курсы Интернет Университета Информационных
технологий
Гергель В.П. Теория и практика параллельных вычислений. —
http://www.intuit.ru/department/calculate/paralltp/
Дополнительные учебные курсы:
Богданов А.В. и др. Архитектуры и топологии многопроцессорных
вычислительных систем. —
http://www.intuit.ru/department/hardware/atmcs/
Барский А.Б. Архитектура параллельных вычислительных систем.
— http://www.intuit.ru/department/hardware/paralltech/
Барский А.Б. Параллельное программирование. —
http://www.intuit.ru/department/se/parallprog/
Воеводин В.В. Вычислительная математика и структура
алгоритмов. — http://www.intuit.ru/department/calculate/calcalgo/
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
18 из 24

19. Литература

При подготовке данной презентации использовались
материалы Совещания по развитию высокопроизводительных вычислений (суперЭВМ) в России (ИПС РАН,
Переславль-Залесский, сентябрь 2007) – см.
http://skif.pereslavl.ru/psi-info/hpc911/:
Абрамов С.М. Суперкомпьютерная отрасль России и
Программы «СКИФ» и «СКИФ-ГРИД»
1.
Болдырев Ю. Я. Опыт работы Санкт-Петербургского
государственного политехнического университета по
применению суперкомпьютерных технологий для решения
ресурсоемких задач промышленности
2.
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
19 из 24

20. Заключение

Знание современных тенденций развития ЭВМ и
аппаратных средств для достижения параллелизма, умение
разрабатывать модели, методы и программы параллельного
решения задач обработки данных следует отнести к числу
важных квалификационных характеристик современного
специалиста по прикладной математике, информатике и
вычислительной технике
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
20 из 24

21. Вопросы для обсуждения

Какие можно привести дополнительные примеры
вычислительно-трудоемких задач ?
Какие знания и умения необходимы для
разработки параллельных программ ?
Чем отличается разработка параллельных
программ от последовательного
программирования ?
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
21 из 24

22. Следующая тема

Параллельные вычислительные системы:
краткий обзор и классификация
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
22 из 24

23.

Контакты
Гергель В.П., профессор, д.т.н., декан
вычислительной математики и кибернетики
Нижегородский университет
[email protected]
http://www.software.unn.ru/?dir=17
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
факультета
23 из 24

24.

О проекте
Целью проекта является организация массовой подготовки
специалистов в области суперкомпьютерных вычислительных
технологий с активным использованием возможностей современных
ИТ-технологий.
Образовательная деятельность ориентирована на обучение самого
широкого круга обучаемых (студентов, специалистов, преподавателей)
и предусматривает наличие различных направлений подготовки для
учета
разных
профессиональных
требований
в
области
суперкомпьютерных
технологий
(пользователи,
программисты,
инженеры).
Исполнители проекта - Интернет университет информационных
технологий,
Научно-исследовательский
вычислительный
центр
Московского университета и Нижегородский университет.
Проект выполняется в рамках деятельности Суперкомпьютерного
консорциума университетов России (http://www.hpc-russia.ru)/
Сайт проект – http://www.hpcu.ru
Н.Новгород, 2008 г.
Основы параллельных вычислений: Введение
© Гергель В.П.
24 из 24